CN103288131A - 一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，该制备方法以氯氧化锆为原料，在高温条件下与浓硫酸发生反应，生产碱式硫酸锆，再以碱式硫酸锆为载体与氯化钇、氨水在水溶液中发生沉淀反应，最后生成稳定锆的前驱体，后经机械分散、干燥、烧结和气流后制得。本发明采用化学和机械结合的方法制备氧化钇稳定氧化锆粉体，所制备的粉体单斜相含量低、团聚少、烧结活性高。

Description

一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法
技术领域
本发明属于材料化学领域，具体涉及一种具有低单斜相和高活性钇稳定氧化锆粉体的制备方法。 
背景技术
二氧化锆是一种非常稳定的氧化物，具有良好的热稳定性及化学稳定性，优良的高温导电性及较高的高温强度和韧性，性能稳定且抗腐蚀，是目前发展迅速的特种陶瓷的重要原料，可用于生产高温结构陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷以及超高温耐火材料等。 
单纯的氧化锆很难生产氧化锆陶瓷，通常情况下ZrO2有三种同质异型体，即单斜晶型(Monoclinic System)，四方晶型(Tetragonal 
System)，立方晶型(Cubic System)，三种晶型的转化如下所示：
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晶型转变伴随着5%左右的体积变化，纯氧化锆烧制的陶瓷中都会出现裂纹，影响其应用，因此需要进行晶型稳定化处理，即在二氧化锆陶瓷中加入少量稳定剂，如氧化钇、氧化铈、氧化镁等，这些添加剂与二氧化锆形成不同的强化机制，以使立方晶型和四方晶型在冷却过程中能保存下来，并保持立方和四方高温相在常温下的介稳态，在加热或冷却过程中不再进行晶型转变，称为稳定化的二氧化锆，稳定剂加入量的不同将形成部分稳定二氧化锆和全稳定二氧化锆，在这些稳定剂中，氧化钇参杂量为3%mol时，力学性能最为优异，应用也比较广泛。
3mol%的氧化钇稳定锆被称为部分稳定锆，是由单斜相、四方相和立方相三种晶型组成，单斜相的存在会提高氧化锆陶瓷的断裂韧性和强度，但同时使陶瓷产品的成品率变低，目前国内生产的部分稳定锆粉体单斜相的含量在30%左右，而国外生产的粉体单斜相含量可控制在5%以下，所以国内氧化锆陶瓷的生产大部分都是低端产品，很少能进行高精密陶瓷件的生产。 
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，该发明采用化学和机械结合的方法制备氧化钇稳定氧化锆粉体，所制备的粉体单斜相含量低，团聚少，烧结活性高。 
本发明提出的氧化钇稳定氧化锆粉体是以氯氧化锆为原料，在高温条件下与浓硫酸发生反应，生成碱式硫酸锆，再以碱式硫酸锆为载体与氯化钇、氨水在水溶液中发生沉淀反应，最后生成稳定锆的前驱体，后经机械分散、干燥、烧结和气流粉碎后制得。 
一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 
第一步：将锆源与水混合，搅拌30min制得浓度为35~45g/L的水溶液A；
第二步：在反应釜中将水溶液A和硫酸混合，其中，硫酸：锆源(ZrO2含量)摩尔比为0.6~0.65，混合后搅拌10min后缓慢加热，搅拌速率为60~80转/min，升温的速率为1~2℃/min，待温度升到90℃后保温0.5~1h，清洗、过滤得到沉淀B；
第三步：给沉淀B加稳定剂和水，其中，锆源(ZrO2含量)：稳定剂(氧化物含量)：水质量比94.7：5.3：1500，然后导入反应釜中制成浆料，搅拌速率为80~100转/min，同时缓慢加入碱，直到PH为9.5~10；
第四步：陈化1~2h后水洗过滤，得到氧化钇稳定锆的前驱体C（C为锆和钇的氢氧化物），将C(氧化物含量)：水：分散剂按质量比1:1：0.01~0.1制成浆料，导入高速机械分散机中分散2~3h，分散机的转速为900~1200转/min，然后在80~120℃下干燥，接着在900~950℃焙烧2~4h，最后经过气流粉碎处理。
所述采用的锆源为氯氧化锆(ZrOCl2·8H2O)，其中ZrO2含量为36.8%。 
所述硫酸为质量分数98%的浓硫酸。 
所述稳定剂为浓度为231g/L的氯化钇溶液，比重为1.34g/ml。 
所述碱为质量分数为25%的氨水。 
所述分散剂为分子量为4000的聚乙二醇(PEG)。 
本发明采用了化学和机械结合的方法，生产的氧化锆粉体粒度均匀，团聚较少，单斜相含量低，烧结活性高，工艺操作简单，可用于产业化生产。 
附图说明
图1为按照实施例1制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射图（XRD）； 
图2为按照实施例2制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射图（XRD）；
图3为按照实施例3制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射图（XRD）；
图4为按照实施例4制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射图（XRD）；
图5为常规的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射图（XRD）；
图6为按照实施例1~4制备的钇稳定氧化锆粉体和常规的钇稳定氧化锆粉体的实验结果的对比。
具体实施方式
下面结合附图对该发明做进一步的说明。 
实施例1： 
取1000g的氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)与纯水混合搅拌30min后制成浓度为35g/L的溶液，将此溶液放入反应釜同时加入179g浓H2SO4，搅拌速度为60转/min，以1℃/min的速率升温至90℃，保温0.5h后清洗过滤沉淀，将此沉淀加入5.5Kg水中，搅拌均匀后加入120g氯化钇溶液，搅拌速率为80转/min，搅拌20min后开始加入25%的氨水，直到Ph到达9.5，陈化1h后清洗过滤氧化钇稳定氧化锆的前驱体， 加入368g的水和3.68g聚乙二醇4000，导入机械分散机中分散2h，分散机的转速为1200转/min，然后在100℃下干燥，接着在900℃焙烧2.5h，最后经过气流粉碎处理得到最终粉体。
图1为按照实施例1试验过程制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射（XRD）图，从图中可以看出，衍射结果中含有两种晶型，其中单斜晶型占6.75%。 
实施例2： 
取1000g的氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)与纯水混合搅拌30min后制成浓度为38g/L的溶液，将此溶液放入反应釜同时加入190g浓H2SO4，搅拌速度为70转/min，以1.5℃/min的速率升温至90℃，保温1h后清洗过滤沉淀，将此沉淀加入5.5Kg水中，搅拌均匀后加入120g氯化钇溶液，搅拌速率为90转/min，搅拌20min后开始加入25%的氨水，直到Ph到达10，陈化1.5h后清洗过滤氧化钇稳定氧化锆的前驱体， 加入368g的水和4g聚乙二醇4000，导入机械分散机中分散2.5h，分散机的转速为1100转/min，然后在120℃下干燥，接着在900℃焙烧3.5h，最后经过气流粉碎处理得到最终粉体。
图2为按照实施例2试验过程制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射（XRD）图，从图中可以看出，衍射结果中含有两种晶型，其中单斜晶型占6.00%。 
实施例3： 
取1000g的氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)与纯水混合搅拌30min后制成浓度为41g/L的溶液，将此溶液放入反应釜同时加入185g浓H2SO4，搅拌速度为80转/min，以2℃/min的速率升温至90℃，保温0.6h后清洗过滤沉淀，将此沉淀加入5.5Kg水中，搅拌均匀后加入120g氯化钇溶液，搅拌速率为80转/min，搅拌20min后开始加入25%的氨水，直到Ph到达9.8，陈化2h后清洗过滤氧化钇稳定氧化锆的前驱体， 加入368g的水和6g聚乙二醇4000，导入机械分散机中分散3h，分散机的转速为900转/min，然后在100℃下干燥，接着在950℃焙烧2h，最后经过气流粉碎处理得到最终粉体。
图3为按照实施例3试验过程制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射（XRD）图，从图中可以看出，衍射结果中含有两种晶型，其中单斜晶型占2.04%。 
实施例4： 
取1000g的氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)与纯水混合搅拌30min后制成浓度为45g/L的溶液，将此溶液放入反应釜同时加入190g浓H2SO4，搅拌速度为75转/min，以1.5℃/min的速率升温至90℃，保温0.8h后清洗过滤沉淀，将此沉淀加入5.5Kg水中，搅拌均匀后加入120g氯化钇溶液，搅拌速率为100转/min，搅拌20min后开始加入25%的氨水，直到Ph到达9.9，陈化1.5h后清洗过滤氧化钇稳定氧化锆的前驱体， 加入368g的水和6.5g聚乙二醇4000，导入机械分散机中分散3h，分散机的转速为1000转/min，然后在100℃下干燥，接着在900℃焙烧3h，最后经过气流粉碎处理得到最终粉体。
图4为按照实施例4试验过程制备的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射（XRD）图，从图中可以看出，衍射结果中含有两种晶型，其中单斜晶型占4.79%。 
图5为常规的钇稳定氧化锆粉体的X-衍射（XRD）图，从图中可以看出，衍射结果中含有两种晶型，其中单斜晶型占30.27%。 
图6为按照实施例1~4制备的钇稳定氧化锆粉体和常规的钇稳定氧化锆粉体的实验结果与性能对比。从图6中可以看出，当Y2O3含量在3mol%左右时，实施例1~4制备的钇稳定氧化锆粉体的单斜相含量明显低于常规产品，烧结后锆瓷的密度高于常规水平，单斜相含量低，陶瓷成品率高，密度大，制备的陶瓷制品的通透度好，可用于高精度陶瓷制备。 
  

Claims (6)

1.一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：将锆源与水混合，搅拌30min制得浓度为35~45g/L的水溶液A；
第二步：在反应釜中将水溶液A和硫酸混合，其中，硫酸：锆源(ZrO2含量)摩尔比为0.6~0.65，混合后搅拌10min后缓慢加热，搅拌速率为60~80转/min，升温的速率为1~2℃/min，待温度升到90℃后保温0.5~1h，清洗、过滤得到沉淀B；
第三步：给沉淀B加稳定剂和水，其中，锆源(ZrO2含量)：稳定剂(氧化物含量)：水质量比94.7：5.3：1500，然后导入反应釜中制成浆料，搅拌速率为80~100转/min，同时缓慢加入碱，直到PH为9.5~10；
第四步：陈化1~2h后水洗过滤，得到氧化钇稳定锆的前驱体C（C为锆和钇的氢氧化物），将C(氧化物含量)：水：分散剂按质量比1:1：0.01~0.1制成浆料，导入高速机械分散机中分散2~3h，分散机的转速为900~1200转/min，然后在80~120℃下干燥，接着在900~950℃焙烧2~4h，最后经过气流粉碎处理。
2.根据权利要求1所述的一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：所述的锆源为氯氧化锆(ZrOCl2·8H2O), 其中氧化锆含量为36.8%。
3.根据权利要求1所述的一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：所述的硫酸为质量分数98%的浓硫酸。
4.根据权利要求1所述的一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：所述的稳定剂为浓度为231g/L的氯化钇溶液，比重为1.34g/ml。
5.根据权利要求1所述的一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：所述的碱为质量分数为25%的氨水。
6.根据权利要求1所述的一种低单斜相高活性的钇稳定氧化锆粉体的制备方法，其特征在于：所述的分散剂为分子量为4000的聚乙二醇(PEG)。
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